基于多点解析木的长白落叶松建筑材优良种源选择1)

于宏影 张含国 张磊 姜莹 张振

(林木遗传育种国家重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

长白落叶松(Larix olgensis)是我国北方主要速生用材树种，具有生长快、分布广、适应性强的特点［1-2］，其木材强度高、纹理直、耐久用、耐腐性强，是重要的建筑用材之一，木材的力学性质可衡量木材抵抗外力的能力，是木材实际应用时最主要的参数［3-5］。木材基本密度、抗压强度、抗弯强度及抗弯弹性模量等物理力学指标在优良建筑材选择与评价中是比较重要的材性指标［6-8］。长白落叶松的种源试验是从20 世纪70 年代末开始的，以往进行的长白落叶松种源试验虽然较多，但部分试验林年龄较小、单点试验林分析结果较多、有些测定分析的性状较少，具有一定的局限性［9-10］。本次研究以3 个地点31 年生的长白落叶松种源为试验材料，分别对其进行生长性状和力学性状的测定。目的是通过变异分析、主成分分析以及稳定性分析等，探索长白落叶松种源的适应性和稳定性，进而筛选出长白落叶松的优良建筑材种源。

1 材料与方法

试验地点位于尚志市西北部的东北林业大学帽儿山实验林场、伊春市带岭区的东北林业大学凉水实验林场，以及大兴安岭山脉东南坡的加格达奇农林科学院基地。

1980 年在大石头、露水河等11 个种源(地点)采种，1981 年育苗，1982 年定植于帽儿山、凉水、加格达奇3 个地点，2011 年对31 年生长白落叶松进行生长性状测定和解析木取样。其中帽儿山、凉水地点为11 个种源(包括大石头、露水河、天桥岭、白河、和龙、穆棱、大海林、小北湖、白刀山、鸡西、关帝山，其中关帝山为华北落叶松，作为对照)，加格达奇地点为10 个种源(包括阿尔山、露水河、天桥岭、白河、和龙、穆棱、大海林、小北湖、白刀山、鸡西，其中阿尔山为兴安落叶松，作为对照)。造林均采用完全随机区组设计，3 次重复。帽儿山小区定植40株，造林株行距1．5 m×2．0 m;凉水小区定植60 株，株行距1．5 m×2．0 m;加格达奇小区定植21 株，株行距3．0 m×3．0 m。

对试验点所有立木进行生长性状(树高、胸径、材积)测定。每个种源在3 个区组内分别伐取2 株解析木，将解析木从根茎基部向上2～3 m、3～4 m 各伐取一段，试材运回后气干，以种源为区分，把木段按照国家标准制成无瑕疵小样。按照国家标准进行物理力学性状的测定，包括:顺纹抗压强度(GB 1935—1991)、硬度(GB 1941—1991)、抗弯强度(GB 1936．1—1991)、抗弯弹性模量(GB 1936．2—1991)、冲击韧性(GB 1940—1991)、木材密度(GB 1933—1991)、干缩率(GB 1932—1991)［11］等指标。硬度包括弦面硬度、径面硬度、端面硬度;木材密度包括基本密度、气干密度;干缩率指体积干缩率，包括气干干缩率和全干干缩率。顺纹抗压强度、硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量每个样本测量24 个数据(冲击韧性个别种源不足24 个数据)，密度、干缩率每个样本测量34 个数据。物理力学性状的测定在东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室完成。试验共测定14 个生长和力学性状。

利用SPSS18．0［12］软件进行种源变异分析、方差分析、多重比较、主成分分析等。采用DPS 专业统计V14．10［13］进行稳定性分析。采用Minitab16．0［14］剔除异常观测值(由于冲击韧性样本数较少，不足24 个，试验误差较大，导致变异系数过大，给予剔除异常观察值之后再进行分析)。

2 结果与分析

2．1 生长性状与力学性状方差分析

对3 个地点14 个生长和物理力学性状进行方差分析，结果显示:帽儿山、凉水、加格达奇3 个地点内不同种源间除了树高、胸径、材积差异显著(P＜0．05);不同种源间其他11 个指标差异极显著(P＜0．01)。对3 个地点种源各性状进行变异分析(表1仅列出帽儿山地点的8 个主要性状)，帽儿山地点14 个性状变异系数最大的性状为材积，达到40．09%，变异系数最小的性状是基本密度，为9．33%。凉水地点变异系数最大的性状为冲击韧性，达到39．42%，变异系数最小的性状是树高，为7．15%。加格达奇地点变异系数最大的性状为材积，达到32．34%，变异系数最小的性状是基本密度，为10．27%。3 个地点各性状均存在丰富的变异，3 个地点的材积和冲击韧性这两个性状的变异系数较大，都达到了30%以上，基本密度的变异系数较小，在10%左右。对差异显著的性状用Duncan 法多重比较进行分析，对于建筑材指标，生长性状、密度、顺纹抗压强度、硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性数值越大，干缩率数值越小，说明材质越好。表1 基本反应了帽儿山不同种源在各性状中的简单相互关系。结果表明:帽儿山地点整体表现较好的种源是和龙、小北湖、白刀山。凉水地点整体表现较好的种源是穆棱、鸡西、小北湖。在帽儿山地点和凉水地点作为对照的华北落叶松关帝山种源，在大多数性状中均处于中下游。加格达奇地点整体表现较好的种源是天桥岭、穆棱、和龙。在加格达奇地点作为对照的兴安落叶松阿尔山种源在各性状中的排名均处于中下游。

2．2 主成分分析

表2 以凉水地点为例，列出了各性状主成分的特征向量及贡献率，可以得出，特征向量中提取的3个主成分的累积贡献率达到86．37%，可以对原始的14 个性状进行概括。第一特征向量中物理力学性状贡献较大，第二特征向量胸径、材积贡献较大，第三特征向量树高贡献较大。帽儿山地点和加格达奇地点的主成分累计贡献率分别达到了84．11%和85．22%，可以反映原始数据的绝大部分信息［15］。

根据相关矩阵的特征向量，可得出3 个地点的综合主成分函数式(式中x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9、x10、x11、x12、x13、x14分别代表树高、胸径、材积、基本密度、气干密度、气干干缩率、全干干缩率、顺纹抗压强度、弦面硬度、径面硬度、端面硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性)。

帽儿山地点综合主成分表达式:

凉水地点综合主成分表达式:

加格达奇地点综合主成分表达式:

由主成分表达式能得出提取的每个主成分的得分、排名以及综合主成分得分、排名。表3 列出了3个地点的综合主成分F 得分及综合排名，可知帽儿山地点综合排名在3 名的种源是和龙、大石头、天桥岭，白刀山种源、小北湖种源排在4 ～5 名，但大石头种源材积、气干干缩率、全干干缩率表现明显不好，基本密度、顺纹抗压强度、弦面硬度、径面硬度、端面硬度等性状表现中等，天桥岭种源多数性状表现中等或不好;凉水地点排在前3 名的种源是穆棱、鸡西、小北湖;加格达奇地点排在前3 名的种源是天桥岭、穆棱、和龙。对共有种源的排名进行相加，得数越低，说明在3 个地点的综合排名越靠前，由此发现穆棱、和龙、小北湖、天桥岭这4 个种源在3 个地点整体排在前4 位。

表1 帽儿山各性状变异分析及多重比较

表2 凉水地点各性状主成分的特征向量及贡献率

2．3 稳定性分析

在品种区域化试验中，往往会出现同一品种在不同地区生长量表现出很大差异的问题，即品种的稳定性问题［16-20］。新引入的或新育成的品种，在大面积推广之前，都要经过区域试验，为其推广和合理利用提供科学依据［21］。生长慢、材质差、稳定性不好的都不能选为优良种源。对3 个地点共有的9 个种源的14 个性状做稳定性分析，结合种源在3 个地点各性状中的排名(由于版面有限，表4 仅列出14个性状中的8 个主要性状，按照产量由高到低进行排列)，通过比较，选出优良种源穆棱、天桥岭，这两个种源在表3 主成分分析中整体排名分别排在第1名和第4 名。这两个种源不但产量高，而且在广泛的种植环境中适应性较好，表现较稳定。和龙、小北湖、白刀山稳定性稍差。和龙种源在帽儿山地点胸径、材积、气干干缩率排在中下游，在凉水地点树高、胸径、材积、抗弯弹性模量排在下游，其他性状均在中游;小北湖种源在帽儿山地点的气干密度、冲击韧性排在中下游;在凉水地点树高排在下游，材积、气干干缩率这两个性状排在中下游;在加格达奇地点树高、胸径、材积、基本密度、气干密度、冲击韧性排在下游。白刀山种源在帽儿山地点树高排在下游，在凉水地点胸径、材积、气干干缩率、全干干缩率、端面硬度排在下游，树高、弦面硬度、端面硬度排在中下游;在加格达奇地点顺纹抗压强度、弦面硬度、抗弯弹性模量表现在下游，在径面硬度、抗弯强度表现在中下游。

表3 3 个地点各性状的综合主成分得分及排序

表4 种源各性状的排序情况

3 结论与讨论

各性状存在较大的变异，材积的变异系数最大，基本密度的变异系数最小，变异系数从大到小分别是材积、冲击韧性、径面硬度、弦面硬度、抗弯强度、端面硬度、抗弯弹性模量、胸径、气干干缩率、顺纹抗压强度、全干干缩率、树高、气干密度、基本密度，数值分别为36．43%、36．36%、25．66%、21．46%、20．79%、20．16%、17．38%、15．73%、15．31%、14．82%、14．08%、11．65%、11．14%、10．11%。在所测的14 个性状中，有6 个性状的变异系数超过20%，这说明长白落叶松种源各性状存在丰富的变异。3 个地点不同种源间树高、胸径、材积差异显著;顺纹抗压强度、弦面硬度、径面硬度、端面硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性、基本密度、气干密度、气干干缩率、全干干缩率差异极显著，在种源水平上对长白落叶松的生长性状和物理力学性质进行改良有很大潜力，进行木材生长性状、力学强度的种源选择，可取得良好的效果。Miranda 等对葡萄牙蓝按(Eucalyptus globulus)3 个地点37 个种源试验林研究发现，蓝按木材密度显著受种源的影响［22］，这与本文结果相类似。

Duncan 法多重比较结果表明:帽儿山地点表现较好的种源是和龙、小北湖、白刀山，凉水地点表现较好的种源是穆棱、鸡西、小北湖，加格达奇地点表现较好的种源是天桥岭、穆棱、和龙。单地点主成分分析表明:帽儿山地点排在前3 名的种源是和龙、大石头、天桥岭，凉水地点排在前3 名的种源是穆棱、鸡西、小北湖，加格达奇地点排在前3 名的种源是天桥岭、穆棱、和龙。凉水和加格达奇的Duncan 法多重比较和主成分分析选出优良种源一致，帽儿山地点通过主成分分析法与Duncan 法多重比较选出的优良种源略有不同，说明不同的分析方法所得出的结果可能不完全一样。两种方法各有优点，Duncan法多重比较能够直接看到每个种源在每个性状的排名;主成分分析法能在不损失或很少损失原有信息的前提下，将原来个数较多而且彼此相关的指标转化为新的个数较少且彼此独立或相关性较小的综合指标，避免了重复信息的干扰［23-24］。

通过DPS 稳定性分析，并结合每个种源在3 个地点各性状中的产量排名以及增产幅度，通过多个性状的对比，发现穆棱、天桥岭这两个种源基本上在3 个地区都适应，而且产量较高、增产幅度较大，综合评价也较好。由于3 个地点的地理位置跨度大，不仅仅要从高产上考虑，而且最好能够广泛适应于所栽培的各个生产区域，同时又能在各个生态环境中稳定地保持其高产性能。

通过对几种分析方法得出的结果进行整合、对比，除在每个地点推广排名靠前的种源外，如帽儿山、凉水地区小北湖种源表现比较优良，还应综合选出产量高、增产幅度大、材质好、稳定性好的穆棱、天桥岭为优良建筑材种源，两个优良种源的树高、胸径、材积、基本密度、气干密度、气干干缩率、全干干缩率、顺纹抗压强度、弦面硬度、径面硬度、端面硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性的平均值分别为19．02 m、20．67 cm、0．320 m3、0．440 g/cm3、0．539 g/cm3、10．06%、13．68%、36．79 MPa、3 293．54 N、3 423．34 N、4 692．08 N、148．54 MPa、15．04 GPa、63．21 kJ/m2，相较于3 个地点的种源平均值，除了气干干缩率、全干干缩率、端面硬度以及冲击韧性这4 个性状，其他性状均增产，分别增产2．348%、3．261%、7．353%、1．614%、2．366%、1．589%、2．399%、1．613%、2．765%、2．566%。

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